1、Chapter 1 計算機控制系統(tǒng)概述主講：江明第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)概述計算機控制系統(tǒng)概述 計算機控制系統(tǒng)是計算機技術(shù)與自動控制理論、計算機控制系統(tǒng)是計算機技術(shù)與自動控制理論、自動化技術(shù)以及檢測與傳感技術(shù)、通信與網(wǎng)絡(luò)技自動化技術(shù)以及檢測與傳感技術(shù)、通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物。利用計算機快速強大的數(shù)值術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物。利用計算機快速強大的數(shù)值計算、邏輯判斷等信息加工能力，計算機控制系計算、邏輯判斷等信息加工能力，計算機控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)常規(guī)控制以外更復(fù)雜、更全面的控制統(tǒng)可以實現(xiàn)常規(guī)控制以外更復(fù)雜、更全面的控制方案。計算機為現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用提供了有力方案。計算機為現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用提供

2、了有力的工具。的工具。 本章主要介紹計算機控制系統(tǒng)的基本概本章主要介紹計算機控制系統(tǒng)的基本概念、結(jié)構(gòu)組成、特點、分類以及計算機控制念、結(jié)構(gòu)組成、特點、分類以及計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況和趨勢。系統(tǒng)的發(fā)展概況和趨勢。 1 11 1 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 計算機控制系統(tǒng)就是利用計算機來實現(xiàn)生產(chǎn)過程計算機控制系統(tǒng)就是利用計算機來實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動控制的系統(tǒng)。自動控制的系統(tǒng)。 自動控制，是在沒有人直接參與的情況下，通過自動控制，是在沒有人直接參與的情況下，通過控制器使生產(chǎn)過程自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行?？刂破魇股a(chǎn)過程自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。 圖圖1 1 計算機控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

3、計算機控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 1 12 2 計算機控制系統(tǒng)的組成和特點計算機控制系統(tǒng)的組成和特點計算機控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。計算機控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。 硬件組成：硬件組成：主要由計算機系統(tǒng)（包括主機和外部設(shè)主要由計算機系統(tǒng)（包括主機和外部設(shè)備）和過程輸入輸出通道、被控對象、執(zhí)行器、檢備）和過程輸入輸出通道、被控對象、執(zhí)行器、檢測變送環(huán)節(jié)等組成。測變送環(huán)節(jié)等組成。 軟件組成：軟件組成：系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。 在計算機控制系統(tǒng)中，硬件和軟件不是獨立存在計算機控制系統(tǒng)中，硬件和軟件不是獨立存在的，在設(shè)計時必須注意兩者相互間的有機配合和在的，在設(shè)計時必須注意兩者相互間

4、的有機配合和協(xié)調(diào)，只有這樣才能研制出滿足生產(chǎn)要求的高質(zhì)量協(xié)調(diào)，只有這樣才能研制出滿足生產(chǎn)要求的高質(zhì)量的控制系統(tǒng)。的控制系統(tǒng)。圖圖2 2 計算機控制系統(tǒng)的組成框圖計算機控制系統(tǒng)的組成框圖計算機控制系統(tǒng)的特點計算機控制系統(tǒng)的特點 在計算機控制系統(tǒng)中，被控制量通常是模在計算機控制系統(tǒng)中，被控制量通常是模擬量，而計算機本身的輸入輸出量都是數(shù)字量。擬量，而計算機本身的輸入輸出量都是數(shù)字量。因此，計算機控制系統(tǒng)大都具有數(shù)字因此，計算機控制系統(tǒng)大都具有數(shù)字模擬混模擬混合式的結(jié)構(gòu)。合式的結(jié)構(gòu)。 模擬信號模擬信號時間上和幅值上都連續(xù)的信號。時間上和幅值上都連續(xù)的信號。離散模擬信號離散模擬信號時間上離散幅值上連續(xù)

5、的信號。時間上離散幅值上連續(xù)的信號。數(shù)字信號數(shù)字信號時間上離散，幅值也離散的信號。時間上離散，幅值也離散的信號。采樣采樣將模擬信號抽樣成離散模擬信號的過程。將模擬信號抽樣成離散模擬信號的過程。量化量化采用一組數(shù)碼來逼近離散模擬信號的幅值，將其轉(zhuǎn)采用一組數(shù)碼來逼近離散模擬信號的幅值，將其轉(zhuǎn) 換成數(shù)字信號。換成數(shù)字信號。圖圖3 3 計算機控制系統(tǒng)中信號變換與傳遞計算機控制系統(tǒng)中信號變換與傳遞 3.1 3.1 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的發(fā)展網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的發(fā)展1 13 3 計算機控制系統(tǒng)的典型形式計算機控制系統(tǒng)的典型形式 1 13 3 計算機控制系統(tǒng)的典型形式計算機控制系統(tǒng)的典型形式 1. 1. 數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視系

6、統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視系統(tǒng) 圖圖4 4 數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視系統(tǒng) 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活和安全。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活和安全。缺點缺點: :要由人工操作，速度受到限制，不能控制多個對象。要由人工操作，速度受到限制，不能控制多個對象。 2. 2. 直接數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng) 圖圖5 5 直接數(shù)字控制系統(tǒng)框圖直接數(shù)字控制系統(tǒng)框圖 計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)?？赏耆〈M調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)?？赏耆〈M調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)多回路的多回路的PIDPID控制，而且只要改變程序就可以實現(xiàn)復(fù)雜的控制，而且只要改變程序就可以實現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律?？刂埔?guī)律。 3 3監(jiān)督控制系統(tǒng)監(jiān)督控制系統(tǒng) 圖圖6

7、 6 監(jiān)督控制系統(tǒng)的兩種結(jié)構(gòu)形式監(jiān)督控制系統(tǒng)的兩種結(jié)構(gòu)形式 其作用是改變給定值，又稱設(shè)定值控制其作用是改變給定值，又稱設(shè)定值控制 。它的任務(wù)著重。它的任務(wù)著重在控制規(guī)律的修正與實現(xiàn)，如最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制等。在控制規(guī)律的修正與實現(xiàn)，如最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制等。 4. 4. 分散型控制系統(tǒng)分散型控制系統(tǒng) 采用分散控制、集中操作、分級管理和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計采用分散控制、集中操作、分級管理和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計原則與網(wǎng)絡(luò)化的控制結(jié)構(gòu)，形成分級分布式控制。原則與網(wǎng)絡(luò)化的控制結(jié)構(gòu)，形成分級分布式控制。 圖圖7 DCS7 DCS結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖 5. 5. 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 圖圖8 FCS8 F

8、CS控制層控制層 結(jié)構(gòu)模式為：結(jié)構(gòu)模式為：“工工作站一現(xiàn)場總線智作站一現(xiàn)場總線智能儀表能儀表”二層結(jié)構(gòu)，二層結(jié)構(gòu)，完成了完成了DCSDCS中的三中的三層結(jié)構(gòu)功能，降低層結(jié)構(gòu)功能，降低了成本，提高了可了成本，提高了可靠性，并且在統(tǒng)一靠性，并且在統(tǒng)一國際標(biāo)準(zhǔn)下可實現(xiàn)國際標(biāo)準(zhǔn)下可實現(xiàn)真正的開放式互連真正的開放式互連系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 6. 6. 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng) 延時；延時； 數(shù)據(jù)包丟失；數(shù)據(jù)包丟失； 錯序。錯序。6. 6. 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng) 1 14 4 計算機控制系統(tǒng)的性能及其指標(biāo)計算機控制系統(tǒng)的性能及其指標(biāo) 1. 1. 計算機控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性計算機控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性 圖圖9 9

9、 過渡過程的過渡過程的4 4種情況種情況（a a）發(fā)散振蕩）發(fā)散振蕩 （b b）衰減振蕩）衰減振蕩 （c c）等幅振蕩）等幅振蕩 （d d）非周期衰減）非周期衰減2 . 2 . 計算機控制系統(tǒng)的能控性和能觀測性計算機控制系統(tǒng)的能控性和能觀測性 系統(tǒng)控制的主要目的是驅(qū)動系統(tǒng)從某一狀態(tài)到達(dá)指系統(tǒng)控制的主要目的是驅(qū)動系統(tǒng)從某一狀態(tài)到達(dá)指定的狀態(tài)。如果系統(tǒng)不能控，就不可能通過選擇控制作定的狀態(tài)。如果系統(tǒng)不能控，就不可能通過選擇控制作用，使系統(tǒng)狀態(tài)從初始狀態(tài)到達(dá)指定狀態(tài)。用，使系統(tǒng)狀態(tài)從初始狀態(tài)到達(dá)指定狀態(tài)。 能控性和能觀性從狀態(tài)的控制能力和狀態(tài)的測能控性和能觀性從狀態(tài)的控制能力和狀態(tài)的測辨能力兩個方面

10、揭示了控制系統(tǒng)的兩個基本問題。辨能力兩個方面揭示了控制系統(tǒng)的兩個基本問題。 能控性能控性 用狀態(tài)反饋構(gòu)成控制規(guī)律，從它的測量輸出中獲得用狀態(tài)反饋構(gòu)成控制規(guī)律，從它的測量輸出中獲得系統(tǒng)狀態(tài)的信息。如果輸出不反映狀態(tài)信息，這樣的系系統(tǒng)狀態(tài)的信息。如果輸出不反映狀態(tài)信息，這樣的系統(tǒng)被稱為是不能觀的。統(tǒng)被稱為是不能觀的。能觀性能觀性3. 3. 控制系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)控制系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo) 圖圖10 10 階躍信號作用下的系統(tǒng)動態(tài)過程階躍信號作用下的系統(tǒng)動態(tài)過程動態(tài)指標(biāo)能夠比動態(tài)指標(biāo)能夠比較直觀地反映控較直觀地反映控制系統(tǒng)的過渡過制系統(tǒng)的過渡過程特性，動態(tài)指程特性，動態(tài)指標(biāo)包括超調(diào)量，標(biāo)包括超調(diào)量，調(diào)節(jié)時間，峰

11、值調(diào)節(jié)時間，峰值時間，衰減比和時間，衰減比和振蕩次數(shù)。振蕩次數(shù)。 超調(diào)量超調(diào)量 p %100p yyym 表示了系統(tǒng)過沖的程度。設(shè)輸出量表示了系統(tǒng)過沖的程度。設(shè)輸出量 的最大值為的最大值為 ，輸出量，輸出量 的穩(wěn)態(tài)值為的穩(wěn)態(tài)值為 ，則超調(diào)量定義為，則超調(diào)量定義為 p ymy)(ty)(ty 超調(diào)量通常以百分?jǐn)?shù)表示，它反映了系統(tǒng)動態(tài)過超調(diào)量通常以百分?jǐn)?shù)表示，它反映了系統(tǒng)動態(tài)過程的平穩(wěn)性。程的平穩(wěn)性。 調(diào)整時間調(diào)整時間 st 調(diào)整時間調(diào)整時間 反映了過渡過程時間的長短，當(dāng)反映了過渡過程時間的長短，當(dāng) 時，若時，若 ，則，則 定義為調(diào)定義為調(diào)整時間，式中整時間，式中 是輸出量是輸出量 的穩(wěn)態(tài)值，的穩(wěn)

12、態(tài)值， 取取0.02 0.02 或或0.050.05。 反映了動態(tài)過程進(jìn)行的快慢，反映了動態(tài)過程進(jìn)行的快慢，是系統(tǒng)的快速性指標(biāo)。是系統(tǒng)的快速性指標(biāo)。 ststt yty )(st)(ty yst4 . 4 . 控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo) 穩(wěn)態(tài)指標(biāo)是衡量控制系統(tǒng)精度的指標(biāo)，用穩(wěn)穩(wěn)態(tài)指標(biāo)是衡量控制系統(tǒng)精度的指標(biāo)，用穩(wěn)態(tài)誤差來表征。穩(wěn)態(tài)誤差是輸出量態(tài)誤差來表征。穩(wěn)態(tài)誤差是輸出量 的穩(wěn)態(tài)值的穩(wěn)態(tài)值 與要求值與要求值 的差值，定義為的差值，定義為 )(ty y0y yyess05. 5. 控制系統(tǒng)的綜合指標(biāo)控制系統(tǒng)的綜合指標(biāo) 綜合性能指標(biāo)通常有綜合性能指標(biāo)通常有3 3種類型種類型 1) 1)

13、積分型指標(biāo)積分型指標(biāo) u誤差平方的積分誤差平方的積分 ttteJ02d)( 這種性能指標(biāo)著重權(quán)衡大的誤差，而較少顧這種性能指標(biāo)著重權(quán)衡大的誤差，而較少顧及小的誤差，但這種指標(biāo)數(shù)學(xué)上易于處理，可以及小的誤差，但這種指標(biāo)數(shù)學(xué)上易于處理，可以得到數(shù)學(xué)解析解，因此經(jīng)常使用。得到數(shù)學(xué)解析解，因此經(jīng)常使用。 這種指標(biāo)較少考慮大的起始誤差，著重權(quán)衡這種指標(biāo)較少考慮大的起始誤差，著重權(quán)衡過渡特性后期出現(xiàn)的誤差，有較好的選擇性。該過渡特性后期出現(xiàn)的誤差，有較好的選擇性。該指標(biāo)反映了控制系統(tǒng)的快速性和精確性。指標(biāo)反映了控制系統(tǒng)的快速性和精確性。 u 時間乘誤差平方的積分時間乘誤差平方的積分ttteJtd)(02 u加權(quán)二次型性能指標(biāo)加權(quán)二次型性能指標(biāo)tRuueQeJtd)(T0T tururteqeqttd)(d)(22202112222101 不僅控制了動態(tài)性能指標(biāo)，而且限制了控制不僅控制了動態(tài)性能指標(biāo)，而且限制了控制信號的功率。信號的功率。 對于多變量控制系統(tǒng)，可用：對于多變量控制系統(tǒng)，可用：2 2）末值型指標(biāo)）末值型指標(biāo) ff),(